基于PLC的溫室大棚控制系統(tǒng)設(shè)計[67頁]

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1、山東科技大學(xué)泰山科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文山東科技大學(xué)泰山科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計論文題目：基于PLC的溫室大棚控制系統(tǒng)設(shè)計系部名稱：機電工程系班級名稱：電氣工程及其自動化學(xué)生姓名：學(xué) 號：指導(dǎo)老師： 完成日期：2016年6月6日摘要溫室大棚是用來栽培農(nóng)作物的設(shè)施，它能改變農(nóng)作物的生長環(huán)境，使其能夠外界的四季變化和惡劣氣候，為農(nóng)作物的生長創(chuàng)造適宜的條件。溫室大棚作為高效農(nóng)業(yè)的重要組成部分，已經(jīng)成為我們研究的方向。如何利用科學(xué)技術(shù)控制溫室內(nèi)的各種環(huán)境因子，已成為我國溫室大棚行業(yè)研究的重要課題之一。本論文主要介紹了基于PLC控制的溫室大棚系統(tǒng)設(shè)計方案，該研究中將采用溫度傳感器、CO濃度傳感器、光照傳感器對溫

2、室大棚中各項指標進行檢測，將測量值送入PLC中，在PLC中將其與設(shè)定值進行比較，再發(fā)出相應(yīng)的指令驅(qū)動外圍設(shè)備來調(diào)控溫室大棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，從而實現(xiàn)了溫室大棚的自動化、智能化控制。在此基礎(chǔ)上，實現(xiàn)監(jiān)測、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)輸出顯示等功能，實現(xiàn)了控制系統(tǒng)優(yōu)良的人機界面，為溫室大棚的研究提供新的方向。關(guān)鍵詞：溫室大棚；可編程控制器（PLC）；傳感器；控制；ABSTRACTGreenhouses are used for growing plants in a range of facilities, it can change the crop growing environment, enabling i

3、t to the outside of four seasons and harsh climate, creating suitable conditions for crop growth. Greenhouses as important component of agriculture, has become our research directions. How to use science and technology to control environmental factors within the greenhouse, greenhouse industry has b

4、ecome an important subject of study.Described in this paper, based on Siemens S7-200 series PLC control system design of greenhouseThe research will be used temperature sensor, andCO2 concentration sensor, and light sensor on greenhouse big shed in the the index for detection, will measurement value

5、 into PLC in the, in PLC will be its and set value for compared, again issued corresponding of instruction drive peripheral equipment to Regulation greenhouse big shed within of environment parameter, to achieved has greenhouse big shed of automation, and intelligent of control. On this basis, using

6、 configuration software configuration design of control systems, monitoring, data logging, data output function, achieving excellent control system human-machine interface, for greenhouse research to provide new direction.Keywords: greenhouse; programmable logic controllers(PLC); sensor; control;app

7、lication.目錄摘要.ABSTRACT.目錄.1 緒論.11.1課題概述.1 1.1.1課題簡介.1 1.1.2研究目的及意義.11.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀.2 1.2.1國內(nèi)研究現(xiàn)狀.2 1.2.2國外研究現(xiàn)狀.21.3研究內(nèi)容.32 控制系統(tǒng)的整體控制方案.42.1控制系統(tǒng)的設(shè)計任務(wù).42.2系統(tǒng)的控制方案.43 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計.73.1電氣控制系統(tǒng)設(shè)計.73.1.1系統(tǒng)主電路設(shè)計.73.1.2控制系統(tǒng)各部分控制電路設(shè)計.73.2 PLC簡介.123.2.1 PLC的產(chǎn)生和系統(tǒng)組成.123.2.2 PLC的工作原理.123.3 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的基本原則及步驟.143.3.1設(shè)計PL

8、C控制系統(tǒng)的基本原則.143.3.2 PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計步驟.143.4 PLC硬件電路設(shè)計.17 3.4.1 PLC型號的選擇.17 3.4.2傳感器的選型.17 3.4.3模擬量輸入模塊EM235.19 3.4.4 PLC O/I地址分配表.21 3.4.5 PLC硬件接線圖設(shè)計.234 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計.244.1 PLC程序設(shè)計方法.244.2編程軟件STEP7-MICRO/WIN概述.244.3控制系統(tǒng)的程序設(shè)計.25 4.3.1程序的設(shè)計思路.25 4.3.2程序控制流程圖.26 4.3.3控制程序設(shè)計及分析.29結(jié)論.36參考文獻.37致謝.39附錄1 外文資料翻譯.40附錄

9、2 電氣原理圖.53附錄3 軟件程序.54V1 緒論1.1課題概述1.1.1課題簡介溫室大棚是用來栽培植物的設(shè)施。溫室是用來改變農(nóng)作物的生長環(huán)境 ,避免外界四季變化和惡劣氣候?qū)r(nóng)作物的不利影響，為農(nóng)作物生長創(chuàng)造適宜的條件。溫室環(huán)境指的是農(nóng)作物的生長空間 ,它是由光照、溫度、濕度、二氧化碳濃度等諸多因素組成的。溫室控制主要是通過控制溫室大棚內(nèi)的溫度、濕度、通風(fēng)與光照等自然因素，使得它可以在不適合農(nóng)作物生長的季節(jié)和惡劣的環(huán)境下可以高效的種植農(nóng)作物。從而達到對農(nóng)作物調(diào)節(jié)產(chǎn)期、促進農(nóng)作物生長發(fā)育、提高產(chǎn)量的目的?，F(xiàn)代化溫室中具有控制溫度、光照、氣肥等條件的設(shè)備，并采用電腦進行自動智能控制，以此創(chuàng)造農(nóng)作

10、物生長所需最佳的環(huán)境條件。1.1.2研究目的及意義目前的農(nóng)作物栽培設(shè)施中，按國家標準裝配的鋼管塑料大棚和玻璃溫室僅占全國大棚面積的一少部分，大多數(shù)的農(nóng)村仍是采用自行搭建的竹木棚。這種簡單的竹木棚只能起到一定的保溫效果，根本談不上對光照和二氧化碳的合理充份的利用，而且抗自然環(huán)境的能力很差，面對突發(fā)的氣象災(zāi)害也無能為力。即使那些為數(shù)不多的裝配式塑料大棚和玻璃溫室，也都不同程度的缺乏配套的專業(yè)調(diào)控設(shè)備和儀器，所以我國的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)特別是溫室大棚領(lǐng)域的自動智能化程度還非常低。中國農(nóng)業(yè)發(fā)展，必須走現(xiàn)代化發(fā)展這一條路。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，現(xiàn)在化農(nóng)業(yè)的研究和應(yīng)用技術(shù)越來越受到重視，特別是溫室大棚，因為溫室大棚已經(jīng)

11、成為了現(xiàn)代化高效農(nóng)業(yè)的一個重要組成部分。現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)最重要的一環(huán)就是對環(huán)境中影響農(nóng)作物生長的因素做檢測和控制，通過對溫室環(huán)境的監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，并結(jié)合農(nóng)作物的生長規(guī)律，對環(huán)境因素的控制，是作為溫室大棚自動化、智能化生產(chǎn)管理的基本保證，從而能使農(nóng)作物達到優(yōu)質(zhì)、高效的栽培目的。所以，現(xiàn)在我們進行溫室大棚PLC監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計具有積極的現(xiàn)實意義。本課題通過對可編程控制器PLC、傳感器的學(xué)習(xí)和研究，完成了利用西門子PLC與電腦終端組成的溫室大棚群監(jiān)控系統(tǒng)。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1國內(nèi)研究現(xiàn)狀我國溫室大棚技術(shù)起步較晚，政府發(fā)展的以塑料大棚、日光溫室為主的農(nóng)業(yè)栽培設(shè)施，促進了農(nóng)村的經(jīng)濟發(fā)展和緩和了蔬菜的季

12、節(jié)性短缺矛盾。利用太陽光熱資源，節(jié)約不可再生能源，減少環(huán)境污染是我國溫室大棚的一大特色。雖然我國溫室規(guī)模有限，還沒有形成規(guī)模經(jīng)濟，另外構(gòu)建設(shè)施的費用也比較高，但從長期發(fā)展來看，溫室監(jiān)控系統(tǒng)分布式和網(wǎng)絡(luò)化將是我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢?，F(xiàn)代溫室大棚中常用的能自動控制的調(diào)控機構(gòu)有：通風(fēng)窗、遮陽簾、通風(fēng)機、熱風(fēng)機、冷風(fēng)機、人工加熱燈、二氧化碳增肥器、噴霧系統(tǒng)及蒸熏設(shè)備?？刂破骶C合調(diào)節(jié)各個機構(gòu)，使系統(tǒng)在節(jié)省能源的同時保證室內(nèi)氣候滿足植物生長需要。使用的控制器也有很多選擇，如單片機、工控機、PLC、通用PC機等。1.2.2國外研究現(xiàn)狀西方發(fā)達國家在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的起步比較早。1949年，美國借助于工程技術(shù)

13、的發(fā)展，建成了第一個人工氣候室。隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，溫室大棚作為現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)設(shè)施的重要組成部分，其自動控制技術(shù)和管理技術(shù)得到不斷地提高，在世界各地都得到了不錯的發(fā)展。目前，國外的溫室大棚內(nèi)部設(shè)施已經(jīng)發(fā)展到了比較完備的程度，并形成了一定的技術(shù)標準。溫室內(nèi)被控環(huán)境因子由計算機控制，傳感器也較為齊全，如溫室大棚內(nèi)的溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度等等，由傳感器的檢測基本上可以實現(xiàn)對各個執(zhí)行機構(gòu)的控制。計算機對于這些系統(tǒng)的控制已經(jīng)不是簡單的、獨立的、靜態(tài)的直接數(shù)字控制，而是基于PLC的智能控制系統(tǒng)，一些國家在實現(xiàn)自動化的基礎(chǔ)上向著完全自動化、無人化的方向發(fā)展。1.3研究內(nèi)容可編程控制器是集計算機技術(shù)

14、、自動控制技術(shù)和通訊技術(shù)為一體的新型自動控制裝置，PLC的優(yōu)越性能，已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的各個領(lǐng)域，并已成為工業(yè)自動化領(lǐng)域的三大支柱之一。PLC的應(yīng)用已經(jīng)成為了世界潮流，在以后PLC技術(shù)將會在我國的到更全面的應(yīng)用。本文研究的是PLC技術(shù)在溫室大棚技術(shù)上的應(yīng)用。從整體上分析研究了溫室大棚控制系統(tǒng)的電路設(shè)計、硬件設(shè)計、軟件設(shè)計和人機界面等。本次的研究內(nèi)容為溫室大棚PLC控制系統(tǒng)。溫室大棚的作用是改變植物生長的環(huán)境，從而避免因四季變化和突發(fā)的惡劣天氣對植物生長發(fā)育的不良影響，為植物生長提供一個良好的生長環(huán)境。在農(nóng)作物的生長環(huán)境中，溫室大棚中的溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度等環(huán)境參數(shù)對農(nóng)作物的生長起

15、著非常重要的作用。本次研究以可編程控制器PLC為核心，通過傳感器檢測溫室中的環(huán)境參數(shù)，經(jīng)變送為4-20mA的電流信號后送入S7-200的模擬量輸入模塊EM235，經(jīng)分析處理，輸出開關(guān)量，通過驅(qū)動電路控制通風(fēng)扇、冷暖風(fēng)機、遮陽簾、二氧化碳發(fā)生器等多種執(zhí)行機構(gòu)，進而實現(xiàn)對溫室大棚智能化控制，從而實現(xiàn)良好的人機界面。2 控制系統(tǒng)的整體控制方案2.1 控制系統(tǒng)的設(shè)計任務(wù)本控制系統(tǒng)主要針對的被控對象是溫度、光照、二氧化碳濃度，通過對這些因素的檢測，然后與設(shè)定值進行比較，然后進行調(diào)節(jié)。溫度的調(diào)節(jié)主要靠通風(fēng)扇、風(fēng)機、和加熱器進行調(diào)節(jié)；光照主要通過遮陽簾進行控制；二氧化碳濃度主要通過二氧化碳發(fā)生器來進行調(diào)節(jié)。

16、本次設(shè)計的溫室大棚就是通過溫度傳感器、光照傳感器、二氧化碳傳感器來檢測溫室大棚中的溫度、光照強度、二氧化碳濃度等信息，然后通過PLC控制系統(tǒng)控制溫室大棚的通風(fēng)扇、冷/熱風(fēng)機、遮陽簾、加熱器、二氧化碳發(fā)生器等硬件設(shè)施，對溫室大棚中的環(huán)境因子進行調(diào)控，以使溫室大棚里的環(huán)境為最適宜農(nóng)作物生長的環(huán)境。2.2 系統(tǒng)的控制方案在溫室大棚中，需要一套完善的溫室控制系統(tǒng)來控制上述任務(wù)。本控制系統(tǒng)以PLC為控制核心，采用傳感器對溫室大棚中的各項環(huán)境因子進行檢測，然后將測量結(jié)果送入PLC中，經(jīng)過PLC的處理，然后對執(zhí)行設(shè)備發(fā)出指令，通過執(zhí)行設(shè)備對溫室中的各項環(huán)境因子進行調(diào)控?？紤]到實際生產(chǎn)中的穩(wěn)定性與安全性，本控

17、制系統(tǒng)設(shè)有自動、手動兩個模式，自動方式是周期性的按照PLC進行控制，手動模式是當遇到緊急突發(fā)狀況時，改為手動操作，進而去控制執(zhí)行設(shè)備的運行。通過傳感器檢測到數(shù)據(jù)和設(shè)定的數(shù)值進行比較，然后通過軟件程序去執(zhí)行相關(guān)的命令，本設(shè)計的優(yōu)點是成本低廉，節(jié)約資源，能實現(xiàn)利益最大化。該溫室大棚的控制系統(tǒng)總體框圖如下圖2.1所示：圖2.1 控制系統(tǒng)總體框圖該溫室大棚控制系統(tǒng)由PLC系統(tǒng)，傳感器系統(tǒng)，外部執(zhí)行系統(tǒng)等幾部分組成，以PLC控制系統(tǒng)為核心，通過傳感器系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)，通過PLC模擬量輸入模塊EM235輸入到PLC，經(jīng)過與設(shè)定值比較，輸出開關(guān)量進而對執(zhí)行設(shè)備進行控制。本系統(tǒng)為一個溫室大棚的控制系統(tǒng)，以后還可

18、以以大棚群為單位，通過上位機進行統(tǒng)一控制。具體來說就是按下啟動按鈕，系統(tǒng)啟動后，接收由溫度傳感器、光照度傳感器、二氧化碳傳感器檢測到的信號，然后經(jīng)過PLC內(nèi)部處理，由輸出模塊輸出控制信號，以控制外圍的執(zhí)行器件。如果溫度過高，就會驅(qū)動冷風(fēng)機、通風(fēng)扇來降低溫室內(nèi)溫度；如果溫度過低，就會驅(qū)動熱風(fēng)機、加熱器、通風(fēng)扇來調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度；光照則由遮陽簾和發(fā)光器來進行調(diào)節(jié)；二氧化碳濃度則由二氧化碳添加器來添加。3 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計主要由硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩部分組成。本章主要從硬件角度介紹了溫室大棚控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計方案，主要從電氣控制系統(tǒng)設(shè)計、PLC外部接線圖及外部硬件配置方面進行設(shè)計。3

19、.1電氣控制系統(tǒng)設(shè)計3.1.1系統(tǒng)主電路設(shè)計溫室大棚控制系統(tǒng)的主電路如下圖3.1所示。其中通風(fēng)扇和遮陽簾主工作電路相似，都需要電機的啟動、停止以及正反轉(zhuǎn)來完成工作，不同點是通風(fēng)扇和遮陽簾電機的功率不同，且遮陽簾電機帶限位開關(guān)。其中冷/熱風(fēng)機、加熱器、發(fā)光體、CO2發(fā)生器的工作原理大致相同，都屬于開關(guān)設(shè)備。圖3.1 溫室大棚控制系統(tǒng)主電路原理圖從上圖可以看出，QK為刀開關(guān)，其作用為控制整個主電路的啟停；FR1-FR5位熱繼電器，起過載保護作用；FU1-FU7為熔斷器，對各支路起到短路保護和過載保護作用；KM1-KM9為接觸器的主觸頭，可以實現(xiàn)電機的啟停、正反轉(zhuǎn)以及開關(guān)設(shè)備的啟?？刂啤?.1.2控

20、制系統(tǒng)各部分控制電路設(shè)計通過系統(tǒng)主電路可以看出，溫室大棚的控制系統(tǒng)的執(zhí)行設(shè)備分為兩大類：開關(guān)設(shè)備和非開關(guān)設(shè)備。開關(guān)設(shè)備包括風(fēng)機、加熱器等等；非開關(guān)設(shè)備比如正反轉(zhuǎn)的電機，包括通風(fēng)扇、遮陽簾等，這些電機需要啟停和正反轉(zhuǎn)，需要限位開關(guān)。1.開關(guān)設(shè)備加熱器、二氧化碳添加器、熱風(fēng)機、冷風(fēng)機、發(fā)光體都屬于開關(guān)設(shè)備，其控制電路比較相似，現(xiàn)在就以熱風(fēng)機為例，做以下分析：（1）熱風(fēng)機的主電路風(fēng)機的運行可以通過一個繼電器來控制，主要控制風(fēng)機的電機通斷。風(fēng)機工作運行必須有熔斷器、熱繼電器來保護電路，主要功能有過電流保護、短路保護和過載保護。下圖3.2為熱電機的主電路圖：圖3.2 熱風(fēng)機主電路圖（2）熱風(fēng)機控制電路控

21、制電路原理圖如下圖3.3所示，依照電路原理圖可知：SB1為手動/自動切換開關(guān)。按下總啟動開關(guān)SB2，接觸器線圈KM10得電，KM10常開觸點閉合，形成自鎖。若是手動操作，將旋鈕開關(guān)SB1打到手動檔位，將SB6旋轉(zhuǎn)到開啟檔位，接觸器KM5得電，其常開觸點閉合，熱風(fēng)機開始運行；將SB6旋轉(zhuǎn)到停止檔位，接觸器KM5失電，其常閉觸點斷開，熱風(fēng)機停止運行。若是自動控制，將開關(guān)SB1旋轉(zhuǎn)到自動檔位，由PLC控制器控制，當接觸器KM5得電時，其常開觸點閉合，熱風(fēng)機運行。圖3.3 熱風(fēng)機控制電路圖2.正反轉(zhuǎn)設(shè)備在執(zhí)行設(shè)備里，通風(fēng)扇和遮陽簾屬于非開關(guān)設(shè)備，也就是正反轉(zhuǎn)設(shè)備，他們的控制電路很相似，現(xiàn)在以遮陽簾為例

22、來分析一下主電路圖和控制電路原理圖。（1）遮陽簾主電路下圖3.4為遮陽簾的主電路圖。由電路圖可知，接觸器KM3、KM4主要是控制遮陽簾電機正反轉(zhuǎn)；熔斷器FU2主要是在電路中起到過電流保護，應(yīng)對短路；熱繼電器FR2的作用主要是電機的過載保護。圖3.4 遮陽簾主電路圖（2）遮陽簾的控制電路遮陽簾的控制電路原理圖如下圖3.5所示。由其電路原理圖可以分析得：旋鈕SB1為手動/自動選擇開關(guān)，按鈕SB2為總啟動開關(guān)，按下SB2，交流接觸器KM10得電，其常開觸點閉合，形成自鎖；若手動操作，將旋鈕旋轉(zhuǎn)到手動位置，SB4為開簾、閉簾切換開關(guān)，當SB4切換到開簾開關(guān)時，接觸器KM3得電，其常開觸點閉合，電動機正

23、轉(zhuǎn)，當其開簾程度達到最大程度時，碰到限位開關(guān)SQ1，其常閉觸點斷開，接觸器KM3失電，電動機停止轉(zhuǎn)動；當SB4切換到閉簾開關(guān)時，接觸器KM4得電，其常開觸點閉合，電動機反轉(zhuǎn)，待關(guān)閉到最大限度時，限位開關(guān)SQ2常閉觸點斷開，KM4失電，電動機停止運行。SB3為緊急停止開關(guān)，當按下SB3時，接觸器KM10失電，其常閉觸點斷開，電動機停止運行。若自動運行時，旋鈕開關(guān)SB1旋轉(zhuǎn)到自動位置，遮陽簾運行受到PLC控制，中間接觸器KM3得電時，其常開觸點閉合，電動機正轉(zhuǎn)運行，遮陽簾打開；中間接觸器KM4得電時，其常開觸點閉合，電動機反轉(zhuǎn)，遮陽簾閉合。圖3.5 遮陽簾控制電路原理圖3.2 PLC簡介3.2.1

24、 PLC的產(chǎn)生和系統(tǒng)組成1969年美國數(shù)字設(shè)備公司研制出世界第一臺PLC，開創(chuàng)了工業(yè)控制新時代。PLC隨著計算機和微電子技術(shù)的發(fā)展，由最初的1位機發(fā)展到8位機，并隨著微處理器CPU和微型計算機技術(shù)在PLC中的應(yīng)用，形成了現(xiàn)代意義上的PLC。目前，PLC已經(jīng)使用16位、32位高性能微處理器，并實現(xiàn)了多處理器多通道處理。現(xiàn)在，PLC已經(jīng)非常成熟。1，46PLC實質(zhì)上是一種工業(yè)控制計算機。PLC與計算機的組成很類似，不過PLC比一般的計算機具有更強的與工業(yè)過程相連接的借口，以及更好的適應(yīng)控制要求的編程語言，從PLC硬件上看，它由CPU、存儲器、輸入輸出借口、電源等組成。如下圖3.6所示：圖3.6 P

25、LC控制系統(tǒng)示意圖3.2.2 PLC的工作原理PLC的工作原理可用16個字來概括：循環(huán)掃描、順序執(zhí)行、集中輸入、集中輸出。PLC的工作過程可用下圖3.7來表示：電源ON內(nèi)部處理輸入處理通信服務(wù)更新時鐘，特殊寄存器STOPCPU運行方式執(zhí)行程序輸出處理CPU強制為STOPY致命錯誤執(zhí)行自診斷NYNPLC正常存放自診斷錯誤結(jié)果圖3.7 PLC運行框圖3.3PLC控制系統(tǒng)設(shè)計的基本原則及步驟了解了PLC的指令系統(tǒng)和工作原理后，就可以將PLC用于工程項目中。PLC的控制部分的設(shè)計可以參考以下的基本原則及步驟。3.3.1設(shè)計PLC控制系統(tǒng)的基本原則在PLC系統(tǒng)的實際設(shè)計過程中，設(shè)計原則往往會涉及到很多方

26、面，其中最基本的可以歸納為4點。1.最大限度的滿足要求要充分的發(fā)揮PLC功能，最大限度的滿足被控對象的設(shè)計要求，是設(shè)計原則中最重要的一條原則。程序開發(fā)人員要到現(xiàn)場調(diào)研調(diào)查，要與現(xiàn)場人員和車間工作人員緊密結(jié)合，共同合作，解決重要問題和疑難問題。2.保證系統(tǒng)的安全可靠PLC控制系統(tǒng)基本原則之二就是保證PLC能夠長期安全、可靠、穩(wěn)定的運行。3.維修方便、方便簡單的使用與經(jīng)濟效益在滿足設(shè)計要求的前提下，要盡量的考慮經(jīng)濟效益，要注意以后的工程擴展，也要盡量使系統(tǒng)更簡單，要擁有合理的布局，以方便以后的檢查與維修。4.適應(yīng)以后改進的需求適當?shù)目紤]PLC控制系統(tǒng)以后的系統(tǒng)改進和技術(shù)完善，所以在PLC選型上，其

27、I/O點數(shù)要留有25%左右的裕量，以適應(yīng)以后的系統(tǒng)技術(shù)改進。3.3.2 PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計步驟在設(shè)計PLC系統(tǒng)時，首先要對PLC應(yīng)用系統(tǒng)進行功能設(shè)計，根據(jù)系統(tǒng)所具備的功能和現(xiàn)場工藝的要求，明確系統(tǒng)所需的功能和必要的程序設(shè)計。然后進行PLC應(yīng)用系統(tǒng)功能的具體分析，從而得出PLC控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和形式，輸入/輸出信號的種類及數(shù)量，控制系統(tǒng)的規(guī)模和布局。PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計為以下步驟和圖3.8：評估控制任務(wù)PLC型號的選擇控制流程的設(shè)計 程序設(shè)計控制柜設(shè)計及布線程序的檢查與調(diào)試PLC安裝模擬運行修改軟、硬件聯(lián)機調(diào)試是否滿足要求否是程序備份投入使用圖3.8 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計步驟1.分析被控對象并提出

28、控制要求、制定控制方案 詳細分析被控對象的工藝過程及工作特點，提出被控對象對PLC控制系統(tǒng)的控制要求，確定控制方案，擬定設(shè)計任務(wù)書。2.確定IO設(shè)備 根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，確定系統(tǒng)所需的全部輸入設(shè)備（如：按紐、位置開關(guān)、轉(zhuǎn)換開關(guān)及各種傳感器等）和輸出設(shè)備（如：接觸器、電磁閥、信號指示燈及其它執(zhí)行器等），從而確定與PLC有關(guān)的輸入/輸出設(shè)備，以確定PLC的I/O點數(shù)。3.選擇PLCPLC選擇包括對PLC的機型、容量、I/O模塊的數(shù)量、I/O模塊余量、電源等的選擇。4.分配I/O點并設(shè)計PLC外圍硬件線路分配I/O點：畫出PLC的I/O點與輸入/輸出設(shè)備的連接圖或?qū)?yīng)關(guān)系表；PLC外圍硬件線路：畫出

29、系統(tǒng)其它部分的電氣線路圖，包括主電路和未進入PLC的控制電路等；由PLC的I/O連接圖和PLC外圍電氣線路圖組成系統(tǒng)的電氣原理圖。5.程序設(shè)計（1）控制程序；（2）初始化程序；（3）檢測、故障診斷和顯示等程序；（4）保護和連鎖程序。6.硬件實施設(shè)計控制柜和操作臺等部分的電器布置圖及安裝接線圖；設(shè)計系統(tǒng)各部分之間的電氣互連圖；根據(jù)施工圖紙進行現(xiàn)場接線，并進行詳細檢查。 7.整理和編寫技術(shù)文件技術(shù)文件包括設(shè)計說明書、硬件原理圖、安裝接線圖、電氣元件明細表、PLC程序以及使用說明書等。3.4PLC硬件電路設(shè)計3.4.1PLC型號的選擇1.控制系統(tǒng)所需要的I/O點數(shù)根據(jù)溫室大棚控制系統(tǒng)的控制要求，可以

30、確定全部的輸入設(shè)備和輸出設(shè)備，從而可以確定PLC有關(guān)的輸入輸出設(shè)備，進而可以確定PLC的I/O點數(shù)，本控制系統(tǒng)所需的PLC的I/O點數(shù)為14個數(shù)字量輸入，3個模擬量輸入，10個數(shù)字量輸出。2.選擇PLC的型號西門子PLCS7系列PLC包括S7-200系列、S7-300系列、S7-400系列。其功能非常強大，按其功能又分為小型、中型、大型PLC。根據(jù)本系統(tǒng)控制要求，選擇S7-200系列的PLC。由以上分析得此系統(tǒng)所需I/O點數(shù)為14輸入、10輸出。根據(jù)PLC硬件設(shè)計要求，應(yīng)留出約25%的空余點數(shù)，以方便以后的系統(tǒng)改造升級。CPU224的I/O點數(shù)雖然也為14輸入、10輸出，但是不能留出I/O點數(shù)

31、裕量，不方便以后的升級改造，所以選擇擁有I/O點數(shù)為24輸入、16輸出的CPU226，以方便以后系統(tǒng)的升級優(yōu)化。CPU226相對功能強大，可以連接7個擴展模塊，最大可擴展至248個數(shù)字量I/O點或35個模擬量I/O點，具有13K的儲存空間。3.4.2傳感器的選型1.溫度傳感器根據(jù)溫室溫度控制的要求，本文的溫度傳感器采用芬蘭維薩拉公司型號為HMD40的產(chǎn)品，該款傳感器不僅測量精度高，易于安裝、響應(yīng)速度快，對環(huán)境要求較低，還具可靠性好、良好的長期穩(wěn)定性、滯后小、不宜受灰塵、化學(xué)氣體等環(huán)境因素的影響等特點。其外觀如下圖3.9所示：圖3.9 HMD40型溫度傳感器實物圖該傳感器的主要性能指標如下：1溫

32、度檢測范圍：-1060；測量精度：0.3%2工作電壓：1028V DC；3輸出信號：420mA。2.光照傳感器 光控用于控制遮陽幕的開關(guān)，使作物得到合理的光照并實現(xiàn)以下目的：免除作物超過光飽合點，提高光合作用；實現(xiàn)對長日照作物、中日照作物和短日照作物的光照控制。光照度傳感器可以采用北京易盛泰和科技有限公司產(chǎn)品型號Poi88-c光照度傳感器。該傳感器用于實現(xiàn)對環(huán)境光照度的測量，輸出標準的電壓及電流信號，體積小，安裝方便，線性度好，傳輸距離長，抗干擾能力強，量程可調(diào)。1.量程：O-200Klx、O-20Klx、02000lx可選2.供電電壓：24VDC12VDC3.輸出信號：4-20mA，0-10

33、V可選4.精度：2%3.二氧化碳濃度傳感器二氧化碳控制實時監(jiān)測C02的含量，當C02的含量低于設(shè)定值時打開C02儲氣罐或C02發(fā)生器以增施氣肥。C02傳感器選用弗加羅公司生產(chǎn)TGS4160二氧化碳傳感器，該傳感器為固態(tài)電化學(xué)型氣體敏感元件。這種二氧化碳傳感器除具有體積小、壽命長、選擇性和穩(wěn)定性好等特點外，同時還具有耐高濕低溫的特性，可廣泛用于自動通風(fēng)換氣系統(tǒng)或是C02氣體的長期監(jiān)測等應(yīng)用場合。其外觀如下圖3.10所示：圖3.10 TGS4160二氧化碳傳感器實物圖TGS4160傳感器的主要技術(shù)參數(shù)如下：1.測量范圍：300-50,000ppm2.對二氧化碳CO2濃度有高靈敏度3.CO2二氧化碳

34、傳感器TGS4160對濕度依賴性極低，長壽命4.使用溫度：-10+503.4.3模擬量輸入模塊EM235 1.模擬量輸入模塊EM235的簡介傳感器采集信息后，將信息轉(zhuǎn)化成標準的電壓或電流信號，PLC硬件設(shè)計則需要模擬量輸入模塊，將電壓或電流信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字量再輸入PLC中進行處理。由于本控制系統(tǒng)需要3個模擬量輸入，所以選擇EM235模擬量輸入模塊。模擬量輸入模塊EM235可以直接將被測主回路交流電流轉(zhuǎn)化成按線性比例輸出4-20mA直流電流的標準信號，連續(xù)輸送到接收裝置。該模塊需要DC24V的工作電源，具有4模擬量輸入和1模擬量輸出，利用DIP開關(guān)來設(shè)置輸入信號的量程。下表3.1說明如何通過DIP

35、開關(guān)設(shè)置EM235模塊的輸入量程的范圍。表3.1 EM235模擬量輸入范圍和分辨率的開關(guān)表單極性滿量程輸入分辨率SW1SW2SW3SW4SW5SW6ONOFFOFFONOFFON0-50mV12.5VOFFONOFFONOFFON0-100mV25VONOFFOFFOFFONON0-500mV125VOFFONOFFOFFONON0-1V250VONOFFOFFOFFOFFON0-5V1.25mVONOFFOFFOFFOFFON0-20mA5AOFFONOFFOFFOFFON0-10V2.5mA如上表所示，通過開關(guān)SW1-SW6可以選擇模擬量輸入范圍。SW6決定模擬量輸入的單雙極性，當SW6為

36、ON時，模擬量輸入為單極性，當SW6為OFF時，模擬量輸入為雙極性。SW4和SW5為增益開關(guān)，SW1、SW2和SW3為衰減開關(guān)。該標中，ON是閉合，OFF是斷開，EM235只在電源接通時讀取開關(guān)設(shè)置。溫室大棚中的傳感器測量的溫度、光照度、二氧化碳濃度的測量值均為單極性，所以選擇0-20mA的量程和0-5V量程。2.模擬量輸入模塊EM235的使用說明校準輸入時，其步驟如下;（1）切斷模塊電源，選擇需要的輸入范圍。（2）接通CPU和模塊電源，使其通電穩(wěn)定15分鐘。（3）用一個變送器、一個電壓源或一個電流源，將零值信號加到一個輸入端。（4）讀取適當?shù)妮斎胪ǖ涝贑PU中的測量值。（5）調(diào)節(jié)偏置電位計，

37、直到讀數(shù)為零，或所需要的數(shù)據(jù)數(shù)字值。（6）將一個滿刻度值信號接到輸入端子中的一個，讀出送到CPU的值。（7）調(diào)節(jié)增益電位計，直到讀數(shù)為32000，或所需的數(shù)字數(shù)據(jù)值。（8）必要時，重復(fù)偏置和增益校準過程。經(jīng)上述步驟調(diào)整后，若輸入0-20mA的模擬量信號，則對應(yīng)的數(shù)字量結(jié)果0-32000或設(shè)定的所需數(shù)字數(shù)據(jù)值。3.模擬量輸入模塊EM235接線說明24V DC電源正極接入模塊左下方L+端子，負極接入M端子。EM235模塊的上部端子排為標注A、B、C、D的四路模擬量輸入接口，可分別接入標準電壓電流信號。為電壓輸入時，以A端為例，電壓信號正極接入A+端，負極接入A-端，RA端懸空。為電流輸入時，以B端

38、為例，須將RB與B+短接，然后與電流信號輸出端相連，電流信號輸入端則接入B-接口。若4個接口未能全部使用，以C端口為例，未用的接口要將C+與C-端子短接，以免受到外部干擾。下部端子為一路模擬量輸出端的3個接線端子MO、VO、IO，其中MO為數(shù)字接地接口，VO為電壓輸出接口，IO為電流輸出接口。若為電壓負載，則將負載接入MO、VO接口，若為電流負載，則接入MO、IO接口。3.4.4 PLC I/O地址分配表根據(jù)系統(tǒng)要求，控制系統(tǒng)的I/O地址分配表如下表3.2、3.3所示表3.2 輸入端口地址分配表序號輸入口信號名稱備注符號01I0.0手動/自動切換旋鈕SB102I0.1總啟動按鈕SB203I0.

39、2總停止按鈕SB304I0.3遮陽簾開限位限位開關(guān)SQ105I0.4遮陽簾關(guān)限位限位開關(guān)SQ206I0.5遮陽簾開簾單刀雙擲開關(guān)SB407I0.6遮陽簾關(guān)簾單刀雙擲開關(guān)SB408I0.7通風(fēng)扇正轉(zhuǎn)單刀雙擲開關(guān)SB509I1.0通風(fēng)扇反轉(zhuǎn)單刀雙擲開關(guān)SB510I1.1熱風(fēng)機啟停旋鈕SB611I1.2冷風(fēng)機啟停旋鈕SB712I1.3加熱器啟停旋鈕SB813I1.4補光燈啟停旋鈕SB914I1.5CO2添加器啟停旋鈕SB1015AIW0溫度傳感器16AIW2光照度傳感器17AIW4CO2濃度傳感器表3.3 輸出端口地址分配表序號輸出口控制信號備注符號01Q0.0通風(fēng)扇正轉(zhuǎn)接觸器KM102Q0.1通風(fēng)

40、扇反轉(zhuǎn)接觸器KM203Q0.2遮陽簾開簾接觸器KM304Q0.3遮陽簾關(guān)簾接觸器KM405Q0.4熱風(fēng)機接觸器KM506Q0.5冷風(fēng)機接觸器KM607Q0.6加熱器接觸器KM708Q0.7補光燈接觸器KM809Q1.0CO2添加器接觸器KM910Q1.1啟動指示燈接觸器KM103.4.5PLC硬件接線圖設(shè)計本控制系統(tǒng)設(shè)計選用S7-200系列的CPU226以及模擬量輸入模塊EM235，硬件接線圖如下圖3.11所示（也可見附錄2）圖3.11 硬件接線圖4 控制系統(tǒng)的軟件部分4.1PLC程序設(shè)計方法PLC程序設(shè)計常用的方法主要有經(jīng)驗設(shè)計法、電路轉(zhuǎn)換梯形圖法、邏輯設(shè)計法、順序控制設(shè)計法等。一、經(jīng)驗設(shè)計

41、法：即根據(jù)前人總結(jié)的典型控制電路程序，再按照設(shè)計中被對象的具體要求，把典型程序進行重新組合，而且需要反復(fù)調(diào)試和修改，得到現(xiàn)在系統(tǒng)所需要的梯形圖，有時僅僅這些還不能滿足要求，還需要增加中間環(huán)節(jié)，才能得出符合要求的系統(tǒng)。這種方法沒有一定的規(guī)律可遵循，設(shè)計所用的時間和設(shè)計質(zhì)量與設(shè)計者的經(jīng)驗有很大的關(guān)系，故稱為經(jīng)驗設(shè)計法。 二、繼電器控制電路轉(zhuǎn)換為梯形圖法：用PLC的外部硬件接線和梯形圖軟件來實現(xiàn)繼電器控制系統(tǒng)的功能。 三、順序控制設(shè)計法：根據(jù)功能流程圖，以步為核心，從起始步開始一步一步地設(shè)計下去，直至完成。此法的關(guān)鍵是畫出功能流程圖。四、邏輯設(shè)計法：通過中間量把輸入和輸出聯(lián)系起來。實際上就找到輸出和

42、輸入的關(guān)系，完成設(shè)計任務(wù)。本次設(shè)計采用的是經(jīng)驗設(shè)計法。4.2 編程軟件 STEP7-MICRO/WIN概述STEP7-Micro/WIN32 編程軟件是基于Windows的應(yīng)用軟件，由西門子公司專為S7-200系列可編程控制器設(shè)計開發(fā)，它功能強大，既可用于開發(fā)用戶程序，又可以實時監(jiān)控用戶程序的執(zhí)行狀態(tài)。編程軟件的具體功能如下。1.可以用梯形圖、語句表和功能塊圖編程。2.可以進行符號編程，通過符號表分配符號和絕對地址，即對編程元件定義符號名稱，增加程序的可讀性，并可打印輸出。3.支持三角函數(shù)，開方，對數(shù)運算功能。4具有易于使用的組態(tài)向?qū)А?.可用于CPU硬件配置。6.可以將STEP 7-Micr

43、o/WIN正在處理的程序與所連接的PLC中的程序進行比較。4.3 控制系統(tǒng)的程序設(shè)計4.3.1程序的設(shè)計思路本控制系統(tǒng)設(shè)有手動、自動兩種工作模式，自動模式為正常運行狀態(tài)，手動模式用于應(yīng)對一些突發(fā)情況。在自動工作模式下，PLC運行時，將傳感器對溫室溫度、光照、二氧化碳濃度等環(huán)境因素進行檢測的測量值與溫室控制系統(tǒng)的設(shè)定值進行比較，如果溫度的檢測量高于設(shè)定值，PLC就會發(fā)出相應(yīng)的指令控制冷風(fēng)機的開啟和通風(fēng)扇正轉(zhuǎn)（將溫室中的空氣排向外界）；如果測量值低于設(shè)定值，則打開加熱器和熱風(fēng)機，對溫室進行加溫，并使通風(fēng)扇反轉(zhuǎn)（將外界的空氣引入溫室）。當溫室的光照低于設(shè)定值時，系統(tǒng)打開遮陽簾和補光燈；當溫室的光照高

44、于設(shè)定值時，系統(tǒng)關(guān)閉遮陽簾。當溫室的二氧化碳濃度低于設(shè)定值，系統(tǒng)開啟二氧化碳調(diào)節(jié)閥。如果溫室中的測量值與設(shè)定值相等，則關(guān)閉相應(yīng)設(shè)備，保持溫室中的環(huán)境參數(shù)。溫室大棚內(nèi)的不同作物對于自然環(huán)境的要求也不盡相同，本系統(tǒng)為研究方便，取其范圍內(nèi)一值，作為參考。植物對大棚溫室內(nèi)的溫度要求大多數(shù)在25-30，本系統(tǒng)取值28；光照強度單位為lx,本系統(tǒng)取光照強度為30000lx;夏季在陽光直接照射下，光照強度可達6萬10萬lx，沒有太陽的室外0.1萬1萬lx，夏天明朗的室內(nèi)100550lx，夜間滿月下為0.2lx。二氧化碳濃度單位為ppm,空氣中含量為300-400ppm，而植物生長需求則為1000-1500p

45、pm，因此本系統(tǒng)取二氧化碳濃度臨界值為1000ppm。4.3.2程序控制流程圖1.溫度控制流程圖溫室大棚控制系統(tǒng)的溫度控制流程圖如下圖4.1所示:開始溫度檢測N測量值=設(shè)定值？測量值=設(shè)定值？YN保持室內(nèi)溫度Y打開升溫設(shè)備打開降溫設(shè)備結(jié)束圖4.1 溫度控制流程圖2.光照控制流程圖溫室大棚控制系統(tǒng)的光照控制流程圖如下圖4.2所示:開始光照強度檢測N測量值=設(shè)定值？測量值=設(shè)定值？YN保持室內(nèi)光照強度Y打開遮光設(shè)備打開補光設(shè)備結(jié)束圖4.2 光照控制流程圖3.二氧化碳濃度控制流程圖溫室大棚控制系統(tǒng)的二氧化碳濃度控制流程圖如下圖4.3所示：開始CO2濃度檢測N測量值=設(shè)定值？Y打開CO2添加設(shè)備保持室

46、內(nèi)CO2濃度結(jié)束圖4.3 二氧化碳濃度控制流程圖4.3.3 控制程序設(shè)計及分析1.自動/手動切換如網(wǎng)絡(luò)1所示，I0.0為自動/手動切換，I0.1為總啟動，當I0.1=1時，Q1.1得電，啟動燈亮，I0.2為總停止，當I0.0=1，I0.1=1時，中間繼電器M0.0得電，系統(tǒng)的運行方式為自動模式；當I0.0=0，I0.1=1時，中間繼電器M0.1得電，系統(tǒng)的運行方式為手動模式。2.溫度控制如網(wǎng)絡(luò)2所示，當中間繼電器M0.0得電時，系統(tǒng)的運行方式為自動模式。在自動情況下，溫度傳感器將測得的模擬量通過模擬量輸入模塊EM235送入PLC中，通過整數(shù)比較指令，將溫度傳感器檢測到的測量值A(chǔ)IW0與設(shè)定值“

47、28度”進行比較，當AIW028時，中間繼電器M0.2得電，啟動降溫設(shè)備；當AIW030000時，中間繼電器M2.0得電，啟動遮光設(shè)備；當AIW230000時，中間繼電器M2.1得電，啟動補光設(shè)備。如網(wǎng)絡(luò)10所示，當中間繼電器M0.1得電時，系統(tǒng)的運行方式為手動模式。可通過控制相應(yīng)的按鈕遮陽簾開簾I0.5、遮陽簾關(guān)簾I0.6、補光燈I1.4，進行溫室大棚光照強度的手動控制。如網(wǎng)絡(luò)11所示，在溫室大棚的光照控制過程中，自動模式下，當光照傳感器測量的光照強度低于設(shè)定的光照值時，中間繼電器M2.1得電，遮陽簾開簾補光；手動模式下，將控制遮陽簾開關(guān)簾的單刀雙擲開關(guān)撥至“遮陽簾開簾”，中間繼電器M2.2得電，遮陽簾開簾補光。如網(wǎng)絡(luò)12所示，在溫室大棚的光照控制過程中，自動模式下，當光照傳感器測量的光照強度高于設(shè)定的光照值時，中間繼電器M2.0得電，遮陽簾關(guān)簾遮光；手動模式下，將控制遮陽簾開關(guān)簾的單刀雙擲開關(guān)撥至“遮陽簾關(guān)簾”，中間繼電器M2.3得電，遮陽簾關(guān)簾遮光。如網(wǎng)絡(luò)13所示，在溫室大棚的光照控制過程中，自動模式下，當光照傳感器測量的光照強度低于設(shè)定的光照